復雜山區路橋過渡段路基沉降控制加固設計研究

熊 寬

（中咨盛裕交通設計研究有限公司，北京 100048）

0 引言

路橋工程是當前交通設施的重要組成部分[1]，路橋工程施工復雜程度較高，工程的設計也具有較大難度，尤其是路橋過渡段的設計，往往成為路橋設計的難點。路橋過渡段是山區公路的脆弱路段，其建設質量直接影響路橋的使用壽命[2]，因此，路橋過渡段的設計也是道路工程設計的重點之一[3]。在復雜的山區環境下，路橋過渡段最容易出現路基的沉降問題[4]，橋頭部位出現結構落差，影響路面的平整性，最終會影響行車安全[5]。路橋過渡段路基發生沉降后，后期處理難度大，維護成本極高[6]。為此，對于復雜山區環境中的路橋過渡段路基設計，要考慮路基發生沉降變形的情況[7]，設計時做到預處理，以保證橋頭引道與橋臺結構的穩定連接，延長道路的使用壽命。基于此，本文開展了復雜山區環境下路橋過渡段路基沉降控制設計研究。

1 路橋過渡段路基沉降控制加固設計

為避免路橋過渡段路基出現過度沉降問題，保證路橋過渡段路基結構的穩定性，對相應過渡段的路基設計進行相應的沉降控制加固設計。

1.1 控制路基沉降變形范圍

路基是維持公路結構穩定的基礎，路基的可靠性會直接影響公路的使用壽命。因此，設計時對于路基的承載力性能給予重點關注。在復雜山區的道路設計中，應考慮臺背地基的軟土地基段情況，進行路基沉降變形協調的控制設計，確定差異沉降的控制指標。

為保證復雜山區路面平整度，首先計算相應的路面容許變坡率參數，以當前的高級公路平整度指標為例，假設路橋過渡段發生沉降情況，且路基中心處的變化量為q，路肩處的變化量為w，可以得出變坡率e的計算公式，具體如下：

上式中，d表示路基的寬度參數。基于此，考慮山區公路路面的材料疲勞性以及極限抗拉性等，確定了復雜山區環境路橋過渡段路基沉降的限制范圍，即路基沉降不得超過0.45%。計算出路基沉降變形的限制范圍，能夠保證橋臺沉降與路基沉降的平穩過渡，還能夠滿足控制路堤中央變形和坡腳路肩處協調變形的要求，將其變形量穩定在合理的范圍內。

1.2 軟土路基淺層換填加固

為保證路橋過渡段路基沉降范圍在上述計算標準值范圍內，需要針對山區軟土路基進行加固設計，主要使用淺層換填法，提高路基的承載能力，實現對軟土路基的加固。為了保證路基的穩定性，同時考慮到建設成本，確定了路基鋪設的材料。路基加固結構設計如圖1所示。

圖1 路基加固結構設計圖

從圖1可知，在路橋銜接處加入了控制沉降的過渡結構，使用輕質材料進行填充。加入輕質EPS材料后的銜接處路基結構，以保證路基輕質，避免過分沉降，使結構穩定，保證過渡段銜接處的路面具有較強的耐壓性與耐水性，避免橋臺與路基結合處沉降不均勻導致的差異沉降問題。

采用的填料是否能夠達到壓縮、固結、凝塊的要求，是決定路基結構能夠承受多少荷載的關鍵，依據路基材料承受力，改進路基的填層，路基填層如圖2所示。從圖2可知，設計的路基填層分為三級，一級為基層，使用密度為2340kg/m3的CTB泥石結構填鋪。下一層級為底基層，使用粉砂填鋪。最后一個層級為填土層，使用壓實的黏土填鋪，保證結構基底的可靠性。同時，為了穩定路橋銜接處的結構穩定，在銜接處下設CFG樁，如圖1所示，搭建相應的樁土復合地基結構。相應的材料參數如表1所示。

圖2 路基填層示意圖

表1 樁土復合地基相關材料參數表

通過搭建樁土復合路基結構，能夠使得土層與樁體緊密貼合，提高土層的密度，并且由于鋪設間距較小，能夠保證路基在路橋銜接處的剛柔得到過渡，提高過渡段路基整體的荷載能力，具有良好的抗變形性能。

1.3 土工格柵補強路堤

土工格柵具有很強的抗拉強度，能夠保證對路基約束性能的穩定性。在設計好過渡段路基填層結構后，使用土工格柵對路橋過渡段的路堤進行補強，以提高路基的側向約束力，避免臺背填料沉降。

在過渡段填土過程中，需要沿路線方向，采用縱橫交替的方法分層平鋪土工格柵。鋪設方案設計如下：

（1）上部層鋪設土工格柵，間距為0.75m，下部層鋪設深層水泥土攪拌樁，間距為1m；

（2）底層鋪設砂墊層，厚度控制在0.3m左右，當格柵充分張拉后，鋪設在砂墊層之上；

（3）為了保證結構穩定，在土工格柵層上填鋪不大于0.25m的頂配碎石，以保證臺背具有良好的排水性能。

土工格柵結構設計如圖3所示。需要注意的是，如果橋臺與公路銜接處為斜交情況，那么應該把土工格柵接近橋臺的一端進行裁切，使得端頭角度與過渡段銜接處的斜交角相同，避免出現格柵鋪向與路橋走向不同的情況，導致結構出現不穩定因素。

圖3 土工格柵結構設計示意圖

1.4 添設路基排水層

對于山區高速公路來說，路面地面水以及地下水是影響路基質量和使用壽命的重要因素。傳統的溝渠排水方法在山區公路中，并不能滿足路基排水的需求。為此，在優化設計排水結構的同時，為路基添設排水層，以減少地下水對路基的侵蝕損害。排水層布設情況如圖4所示。

圖4 排水層設計示意圖

如圖4所示，在路基排水結構的底基層與路基中間加設三層結構的排水層，同時輔以盲溝，雙重保障提高路基的排水能力。排水層能夠實現將地下水以及路面滲漏的地表水排出，設計厚度在0.2m內，考慮填料的經濟適用性，以級配碎石材料為宜，且保持一定的傾斜度，便于積水流出。反濾層上接排水層，下連地基黏土層，三者緊密貼合，設置反濾層就是為了能夠進一步阻擋水體下滲，保證路基的結構穩定。

考慮到隔水性能的強度，設計反滲層采用土工織物填鋪；考慮經濟適用性，設計該層為油氈層；為了保護油氈的材料強度與使用壽命，在油氈與排水層之間增設3cm厚的中砂結構，以隔絕上層材料對油氈材料的損傷，延長反濾層的工作時間，降低后期更換成本。

為了保證盲溝的反滲透能力，盲溝結構也由三層排水層組成，且與各結構層相連，以更好地將路基內流出的積水排出。同時，出于經濟性考慮，排水盲溝間距可以適當增大。對于路橋過渡段的路面來說，由于路與橋的銜接部位的銜接結構仍會存在不可避免的縫隙，為避免雨水滲漏影響內部結構穩定，需要針對路面的地面排水進行設計。為此，在路橋過渡段處布設梯形邊溝，以排除路面的積水。

1.5 銜接處鋪設橋頭搭板

為保證路橋過渡段銜接處的路面穩定，避免路基不均勻沉降造成的路面錯位，在銜接處鋪設橋頭搭板。橋頭搭板能夠連接橋臺與臺背路堤，將縱向的沉降差控制在合理的范圍內，保證行車的安全性。在設計過程中，還需要考慮橋頭搭板可能出現的脫空問題，針對性地進行搭板過渡段結構的一體化設計。

橋頭搭板長度對橋臺結構的整體穩定也具有重要影響，因此要慎重確定搭板長度規格范圍，避免搭板出現繞轉情況。假設路基填料后，其容許沉降參數為α，容許縱坡變化率參數為β，那么搭板長度L的計算公式可以表示為：

根據實際規范，上式中α應滿足≤10cm，且β應滿足4‰≤β≤6‰；同時，還應保證橋頭搭板的長度L滿足下述條件：

上式中k表示填土土體的破壞長度參數，其計算公式可以表示為：

式中：z——路基填料高度參數；

φ——橋臺背墻的傾角參數；

?——橋臺的滑動面傾角參數。

根據上述計算公式，且考慮施工難度與經濟適用性，橋頭搭板的長度應控制在12m之內，且為了保證銜接一體性，橋頭搭板的厚度控制在30cm左右最佳。

2 加固設計與傳統填土設計路基沉降對比分析

為驗證該路橋過渡段路基設計是否能夠滿足復雜山區路橋過渡段路基的沉降要求，并與傳統填土路基沉降進行對比分析，進行數值模擬計算，具體的計算過程和計算結果如下。

2.1 設計計算地質參數

由于實際的工程耗時長，且實驗成本極高，采用有限元分析的方法進行路基沉降的模擬計算。以某一山區公路路橋過渡段工程為例，根據該工程的地質勘探資料，建立路橋過渡段路基結構的有限元模型。相應的路基設計計算參數如表2所示。

表2 路基沉降有限元模型計算參數表

為分析該過渡段路基沉降控制設計的優劣，分別計算傳統填土路基以及加固設計采用的過渡段路基的沉降情況，使用ANSYS軟件進行沉降模擬，記錄模擬計算的數據。

2.2 設計計算結果對比分析

根據數值計算得到的兩種路基設計方法在不同的填筑高度時相應的沉降值數據，制成了沉降值對比圖，具體結果如圖5所示。分析圖5可知，在路橋過渡段模型中，相較于傳統的填土路基，加固設計的過渡段路基在沉降值方面有明顯的減小。隨著路基填筑高度的增加，兩種方法處理的路基沉降都是隨之增加的，但是兩者的沉降效果差別非常明顯。傳統填土路基的沉降值高達9cm，加固設計的過渡段路基沉降在很小的范圍內，且沉降幅度較為穩定，比傳統填土路基施工方法縮小了很多。由此可知，加固設計的過渡段路基具有很高的穩定性，能保證沉降幅度在極小范圍內。

圖5 兩種路基的沉降結果對比圖

3 結束語

綜上所述，為避免復雜山區條件下路橋過渡段路基出現較大沉降的情況，進行了相應的路基沉降控制加固設計。在明確了路基沉降變形的范圍限制并確定了差異沉降的控制指標后，采用路基淺層換填設計對軟土路基進行加固，采用增設土工格柵的方法提高路基的側向約束力，增設排水層結構以滿足路基內部的排水需求，鋪設路橋銜接處橋頭搭板保證過渡結構的一體化。對加固設計的效果進行了數值分析，結果表明：在復雜山區環境下，加固設計的路橋過渡段路基產生的沉降較傳統的填土路基小，能夠保證路橋過渡段路基的整體穩定。